ECTS - University of Pisa
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PHYSICS OF BIOSYSTEMS
FRANCESCA CELLA ZANACCHI
Academic year2023/24
CoursePHYSICS
Code387BB
Credits9
PeriodSemester 1
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
FISICA DEI BIOSISTEMIFIS/03LEZIONI54
SIMONE CAPACCIOLI unimap
FRANCESCA CELLA ZANACCHI unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Il Corso è diviso in quattro parti in cui si intende fornire conoscenze di base in:

  • Meccanismi che regolano la materia attiva bio-ispirata:
  • Tecniche di imaging per lo studio di strutture e processi biologici
  • Materia attiva bio-ispirata
  • Esperimenti di singola molecola per studi di biomolecole
Knowledge

The Course will provide basic knowledge concerning

  • Processes regulating active matter
  • Imaging techniques aimed to study biological structures and processes
  • Active matter inspired by bio-systems
  • Single molecule experiments
Modalità di verifica delle conoscenze

Le conoscenze saranno verificate tramite prova orale.
Assessment criteria of knowledge

The knowledge will be assessed by final oral exam.

 
Capacità

Alla fine del Corso lo studente avra' acquisito capacita' di comprensione e di analisi di studi sperimentali, teorici e computazionali  nel campo della fisica dei biosistemi
Skills

At the end of the Course, the student will be able to understand and analyse scientific reports concerning experimental, theoretical and computational studies concerning the physics of bio-systems
Modalità di verifica delle capacità

Le lezioni sono svolte in modo quanto piu' interattivo possibile per verificare che gli studenti acquisiscano le capacita` tecniche e di logica necessarie alla comprensione dei principali aspetti della fisica dei biosistemi
Assessment criteria of skills

Interactive lectures will be given to verify that the students are acquiring the technical and logic skills  to understand the basic aspects of the physics of biosystems
Comportamenti

Sara` acquisita capacita` di analisi e di schematizzazione dei principali aspetti della fisica dei biosistemi
Behaviors

The student will be able to analyse scientific studies concerning the basic aspects of the physics of biosystems
Modalità di verifica dei comportamenti

Lezioni interattive e prova orale finale.
Assessment criteria of behaviors

Interactive lectures and final oral examination.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Conoscenze di base in Fisica della Materia e Fisica Statistica.
Prerequisites

Basic knowledge in Condensed-Matter Physics and Statistical Physics.
Indicazioni metodologiche

Lezioni frontali,  ricevimenti, utilizzo di e-mail e del sito e-learning per comunicazioni e materiale didattico addizionale.
Teaching methods

Face to face lectures; possibility to discuss personally with the professor once per week; use of e-mail and e-learning site for communication and distribution of additional materials.
Programma (contenuti dell'insegnamento)

L'insegnamento si focalizza sui principi fisici che caratterizzano la materia attiva, partendo dalla comprensione dei meccanismi che regolano i processi nei sistemi biologici “modello” per arrivare alla caratterizzazione di sistemi e materiali “bio-ispirati”.  Particolare attenzione è dedicata alle strutture, alle simmetrie, alle proprietà meccaniche e meccano-sensibili dei sistemi biologici non in equilibrio, coinvolti nello sviluppo di attuatori e materiali innovativi. Inoltre si introdurranno le più recenti tecniche di imaging, sviluppate nel campo della microscopia ottica a super-risoluzione, e le loro applicazioni allo studio dei processi e delle interazioni molecolari in sistemi biologici di interesse.

 

Programma Fisica dei Biosistemi:

Meccanismi che regolano la materia attiva bio-ispirata:

  • Introduzione ai biosistemi e materia attiva ispirata dai biosistemi.
  • Self-assembly e dei fenomeni cooperativi. Sistemi autoassemblanti. Funzione biologica e struttura di proteine ed Interazioni non covalenti fra bio-macromolecole. Struttura di proteine in soluzione e effetto dell'ambiente circostante. Transizioni cooperative, interazioni specifche e superamento dei moti diffusivi e browniani.
  • Folding e unfloding delle proteine, dinamica e funzionalità.
  • Self assembly, molecole anfifiliche e Autorganizzazione di micelle e binding polynomials.
  • Transizioni di fase del primo ordine e ordini superiori. Diagrammi di fase e plot di energia libera. Esempio di sistemi miscibili e immiscibili.
  • Autorganizzazione di membrane, proteine, acidi nucleici (DNA origami). Modello di Landau. Fenomeni critici e fluttuazioni. 
  • Applicazione del modello di Ising a bio-macromolecole in soluzione. Modello random chain per transizioni helices-coil. Modello di massima cooperatività. 
  • Folding e unfolding di proteine: misure calorimetriche, cromatografiche, spettroscopiche.
  • Cooperatività e ligand binding. Affinità di legame. Rate di legame. Catalisi. Modelli di binding polynomials: DNA B helicase, cooperatività positiva e negativa.

Tecniche di imaging per lo studio della materia bio-ispirata

  • Introduzione ai metodi di osservazione della materia attiva e dei sistemi biologici. Concetti di base di microscopia ottica e in fluorescenza. Basi della propagazione della luce. Distribuzione del campo elettrico nel fuoco di una lente. Potere risolutivo e funzione risposta all'impulso.
  • Tecniche standard di imaging in fluorescenza. Microscopia widefield, Microscopia confocale e sezionamento ottico. Microscopia con eccitazione a due fotoni. Microscopia TIRF (Total internal reflection).
  • Tecniche di microscopia avanzata in fluorescenza. Tecniche di perturbazione basate su photobleaching per misure di diffusione. Tecniche basate su Forster resonance energy transfer (FRET). Fluorescence correlation spectroscopy (FCS).
  • Tecniche di super risoluzione a scansione e approcci stocastici.
  • Tecniche di localizzazione di singola molecola. Single particle tracking e cenni di Fluctuation-Based Super-Resolution (SOFI).
  • Tecniche di super risoluzione a scansione: Reversible saturable optical fluorescence transitions (RESOLFT) e Stimulated emission depletion (STED).
  • Tecniche di super-risoluzione basate sulla luce strutturata.
  • Microscopia con illuminazione planare: light-sheet microscopy. Ricostruzione delle immagini: multi-view. Applicazioni biologiche e configurazione inverted SPIM. 
  • Estensione della super-risoluzione in campioni spessi. Detection di singola molecola in profondità: aberrazioni e scattering. Eccitazione a due fotoni.
  • Cenni di Meccanica cellulare e traction force microscopy (TFM).

Materia attiva bio-ispirata

  • Macchine biochimiche e motori molecolari.
  • Emoglobina e legame con O2: modello di Pauling, MWC, PKNF. Ligandi multipli: inibizione e attiviazione. Effetto di pH e CO. Fenomeni cooperativi: segnali e stimoli, logica booleana.
  • Polimerizzazione dell'actina e forze meccaniche esercitate. Simmetrie nella materia attiva: isotropiche, nematiche e polari e difetti topologici.
  • Il citoscheletro cellulare. Self assembly e polimerizzazione dei microtubuli. Ruolo dell'idrolisi dell'ATP. Polimerizzazione e crescita dei microtubuli. Polimerizzazione e stabilizzazione dei filamenti di actina. Trasporto intracellulare e motori molecolari.
  • Trasduttori di energia. Trasduttori di segnali e fosforilazione. Motori molecolari: dinamica della Kinesina su microtubuli
  • Motori molecolari: browninan ratchet e eventi di legame e rilascio guidati da fluttuazioni di energia.
  • Recettore TRPV1, proteine di membrana a canale ionico "voltage-gate"
  • Struttura del DNA. DNA melting e annealing. Nanostrutture a DNA. Processo di fabbricazione dei DNA origami.

 Esperimenti di singola molecola per studi di biomolecole

  • Esperimenti di singola molecola. Manipolazione di biomacromolecole, misurazioni di distribuzione di proprietà fisiche della singola molecola 
  • Piccoli sistemi, grandi fluttuazioni e deviazione dai comportamenti usuali. Tecniche sperimentali: single molecule fluorescence. FRET per folding/unfolding
  • Microscopia a Forza Atomica. Esempi di esperimenti di pulling su acidi nucleici e proteine. Pinzette ottiche e laser optical tweezers.
  • Biomolecole sotto tensione. Trazione e torsione su DNA. Misure isotensionali e isometriche. Teorema di Fluttuazione. Equazione di Crooks e uguaglianza di Jarzinski. Esempio per esperimenti di singola molecola

 

 
Syllabus

The program focuses on the physical principles that characterize active matter, starting with an understanding of the mechanisms governing processes in "model" biological systems and progressing to the characterization of bio-inspired systems and materials. Special attention is given to the structures, symmetries, mechanical properties, and mechanosensitive features of non-equilibrium biological systems involved in the development of innovative actuators and materials. Additionally, the program introduces the latest imaging techniques developed in the field of super-resolution optical microscopy and their applications in the study of molecular processes and interactions in biological systems of interest.

Physics of Biosystems Program:

Mechanisms governing bio-inspired active matter:

  • Introduction to biosystems and bio-inspired active matter.
  • Self-assembly and cooperative phenomena. Self-assembling systems. Biological function and structure of proteins and non-covalent interactions between biomacromolecules. Protein structure in solution and the effect of the surrounding environment. Cooperative transitions, specific interactions, and overcoming diffusive and Brownian motion.
  • Folding and unfolding of proteins, dynamics, and functionality.
  • Self-assembly, amphiphilic molecules, and self-organization of micelles and binding polymers.
  • First-order phase transitions and higher-order transitions. Phase diagrams and free energy plots. Examples of miscible and immiscible systems.
  • Self-organization of membranes, proteins, nucleic acids (DNA origami). Landau model. Critical phenomena and fluctuations.
  • Application of the Ising model to bio-macromolecules in solution. Random chain model for helix-coil transitions. Maximum cooperativity model.
  • Folding and unfolding of proteins: calorimetric, chromatographic, and spectroscopic measurements.
  • Cooperativity and ligand binding. Affinity of binding. Binding rates. Catalysis. Binding polynomial models: DNA B helicase, positive and negative cooperativity.

Imaging techniques for the study of bio-inspired matter:

  • Introduction to methods of observing active matter and biological systems. Basic concepts of optical and fluorescence microscopy. Basics of light propagation. Electric field distribution at the focus of a lens. Resolving power and impulse response function.
  • Standard fluorescence imaging techniques. Widefield microscopy, confocal microscopy, and optical sectioning. Two-photon excitation microscopy. Total internal reflection fluorescence microscopy (TIRF).
  • Advanced fluorescence microscopy techniques. Perturbation-based techniques based on photobleaching for diffusion measurements. Techniques based on Förster resonance energy transfer (FRET). Fluorescence correlation spectroscopy (FCS).
  • Super-resolution techniques using scanning and stochastic approaches.
  • Single molecule localization techniques. Single particle tracking and an introduction to Fluctuation-Based Super-Resolution (SOFI).
  • Scanning super-resolution techniques: Reversible Saturable Optical Fluorescence Transitions (RESOLFT) and Stimulated Emission Depletion (STED).
  • Super-resolution techniques based on structured light.
  • Planar illumination microscopy: light-sheet microscopy. Image reconstruction: multi-view. Biological applications and inverted SPIM configuration.
  • Extension of super-resolution to thick samples. Single molecule detection in depth: aberrations and scattering. Two-photon excitation.
  • Introduction to cellular mechanics and traction force microscopy (TFM).

Bio-inspired active matter:

  • Biochemical machines and molecular motors.
  • Hemoglobin and oxygen binding: Pauling model, MWC model, PKNF model. Multiple ligands: inhibition and activation. pH and CO effect. Cooperative phenomena: signals and stimuli, Boolean logic.
  • Actin polymerization and mechanical forces exerted. Symmetries in active matter: isotropic, nematic, polar, and topological defects.
  • The cellular cytoskeleton. Self-assembly and polymerization of microtubules. Role of ATP hydrolysis. Polymerization and growth of microtubules. Polymerization and stabilization of actin filaments. Intracellular transport and molecular motors.
  • Energy transducers. Signal transducers and phosphorylation. Molecular motors: Kinesin dynamics on microtubules.
  • Molecular motors: Brownian ratchet and energy fluctuation-driven binding and release events.
  • TRPV1 receptor, voltage-gated ion channel membrane proteins.
  • Structure of DNA. DNA melting and annealing. DNA nanostructures. DNA origami fabrication process.

Single molecule experiments for biomolecule studies:

  • Single molecule experiments. Manipulation of biomacromolecules, measurements of single molecule physical property distributions.
  • Small systems, large fluctuations, and deviations from typical behaviors. Experimental techniques: single molecule fluorescence. FRET for folding/unfolding.
  • Atomic Force Microscopy. Examples of pulling experiments on nucleic acids and proteins. Optical tweezers and laser optical tweezers.
  • Biomolecules under tension. Traction and torsion on DNA. Isotonic and isometric measurements. Fluctuation theorem. Crooks equation and Jarzinski equality. Example of single molecule experiments.
Bibliografia e materiale didattico

Tecniche di imaging:

"Principles of fluorescence spectroscopy", J.R. Lakowicz, Third edition, Springer

"Optical Fluorescence Microscopy -From the Spectral to the Nano Dimension" A. Diaspro, Springer

"Principles of Optics" Born and Wolf, Cambridge Univ. Press

 

 
Bibliography

Imaging techniques:

"Principles of fluorescence spectroscopy", J.R. Lakowicz, Third edition, Springer

"Optical Fluorescence Microscopy -From the Spectral to the Nano Dimension" A. Diaspro, Springer

Active Matter:

to be provided 

 
Indicazioni per non frequentanti

Nessuna
Non-attending students info

None
Modalità d'esame

Esame finale orale attraverso colloquio tra il candidato e il docente anche in forma di domanda/risposta, sui vari argomenti trattati nel corso.
Assessment methods

Final oral exam with interactive discussion.
Updated: 15/09/2023 11:00